Plutónio

Plutônio
Netúnio ← Plutônio → Amerício Sm       94 Pu                                                                                                                                                                                                                                           ↑ Pu ↓ Tabela completa • Tabela estendida
Aparência
prateado metálico Um anel de plutônio de pureza 99,96%, peso 5,3 kg, e aproximadamente 11 cm de diâmetro.
Informações gerais
Nome, símbolo, número	Plutônio, Pu, 94
Série química	Actinídeo
Grupo, período, bloco	n/a, 7, f
Densidade, dureza	19816 kg/m3, dureza desconhecida
Número CAS	7440-07-5
Número EINECS
Propriedade atómicas
Massa atômica	244,0642 u
Raio atómico (calculado)	159 pm
Raio covalente	187±1 pm
Raio de Van der Waals	pm
Configuração electrónica	[Rn] 5f6 7s2
Elétrons (por nível de energia)	2, 8, 18, 32, 24, 8, 2 (ver imagem)
Estado(s) de oxidação	7, 6, 5, 4, 3
Óxido	anfótero
Estrutura cristalina	monoclínico
Propriedades físicas
Estado da matéria	sólido
Ponto de fusão	912,5 K
Ponto de ebulição	3505 K
Entalpia de fusão	2,82 kJ/mol
Entalpia de vaporização	333,5 kJ/mol
Temperatura crítica	K
Pressão crítica	Pa
Volume molar	m3/mol
Pressão de vapor	1 Pa a 1756 K
Velocidade do som	2260 m/s a 20 °C
Classe magnética	paramagnético
Susceptibilidade magnética
Permeabilidade magnética
Temperatura de Curie	K
Diversos
Eletronegatividade (Pauling)	1,28
Calor específico	J/(kg·K)
Condutividade elétrica	S/m
Condutividade térmica	6,74 W/(m·K)
1º Potencial de ionização	584,7 kJ/mol
2º Potencial de ionização	kJ/mol
3º Potencial de ionização	kJ/mol
4º Potencial de ionização	kJ/mol
5º Potencial de ionização	kJ/mol
6º Potencial de ionização	kJ/mol
7º Potencial de ionização	kJ/mol
8º Potencial de ionização	kJ/mol
9º Potencial de ionização	kJ/mol
10º Potencial de ionização	kJ/mol
Isótopos mais estáveis
iso AN Meia-vida MD Ed PD MeV 236Pu sintético 2,86 a α 5,867 232U 237Pu sintético 45,2 d ε α 0,220 5,748 237Np 233U 238Pu sintético 87,7 a α 5,593 234U 239Pu traços 24,110 a α 5,245 235U 240Pu traços 6564 a α 5,256 236U 241Pu traços 14,35 a β− α 0,021 5,14 241Am 237U 242Pu traços 375·103 a α 4,984 238U 243Pu traços 4,956 h β− 0,579 243Am 244Pu 100% 80·106 a α 4,666 240U
Unidades do SI & CNTP, salvo indicação contrária.

O plutónio ^{(português europeu)} ou plutônio ^{(português brasileiro)} (em homenagem ao corpo celeste Plutão) é um elemento químico representado pelo símbolo Pu e de número atómico igual a 94 (94 protões e 94 electrões). À temperatura ambiente, o plutónio encontra-se no estado sólido. Pertencente a família dos actinídeos, é um metal de cor prateada-branca, que embaça em contato com o ar, formando um revestimento amorfo quando oxidado, radioativo, frágil e muito denso. Tem o maior número atômico dentre os elementos primordiais, é encontrado em poucas quantidades junto a minérios de urânio, sendo formado naturalmente por capturas neutrônicas de átomos de urânio. O mais estável isótopo do plutônio é o plutônio-244, com uma meia-vida de cerca de 80 milhões de anos, grande o suficiente para que se encontrar traços dele na natureza. Plutônio é principalmente um produto de reações nucleares em reatores onde alguns nêutrons liberados em fissões nucleares são capturados por átomos de U-238, que após uma série de decaimentos, finalmente torna-se Pu. O elemento normalmente exibe seis alótropos e quatro estados de oxidação. Ele reage com carbono, halogênios, nitrogênio, silício e hidrogênio. Quando exposto ao ar úmido, forma óxidos e hidretos que expandem a amostra em até 70% do volume, que pode entrar em ignição espontaneamente como um pó. Ele é radioativo e pode acumular-se nos ossos. Essas propriedades fazem do manuseio do plutônio uma atividade perigosa.

Ele difere muito em suas características físico-químicas com os elementos do resto do grupo. Possui sete diferentes formas alotrópicas com base na temperatura e pressão aplicadas:α, β, γ, δ, δ', ε e ζ. Levando a níveis de oxidação de +2 a +7. A densidade varia de entre as formas alotrópicas de 19,8g/cm³ (α-Pu) a 15,9g / cm³ (δ-Pu).

Ambos o plutônio-239 e plutônio-241 são físseis, significando que eles podem sustentar uma reação em cadeia, levando a aplicações em armas nucleares e reatores nucleares. Plutônio-240 exibe uma grande taxa de fissão espontânea, elevando o fluxo de nêutrons de qualquer amostra que o contem. A presença de plutônio-240 limita usabilidade de uma amostra de plutônio em armas ou a sua qualidade em como um combustível em um reator, e a porcentagem de Pu-240 determina o seu grau (grau para armas, combustível ou reator).

Plutônio-238 tem uma meia vida de 88 anos e emite partículas alfa. Ele é uma fonte de calor em geradores termoelétricos de radioisótopos, que são usados como fonte de energia para algumas sondas. Isótopos de plutônio são caros e inconveniente de se separar, então isótopos particulares são manufaturados em reatores especializados.

Uma equipe liderada por Glenn T. Seaborg e Edwin McMillan na Universidade da Califórnia, Berkeley, sintetizou plutônio pela primeira vez em 1940 bombardeando urânio-238 com deutério. Traços de Pu na natureza foram descobertos subsequentemente. Produzindo plutônio em quantidades utilizáveis pela primeira vez foi a maior parte do Projeto Manhattan durante a Segunda Guerra Mundial, que desenvolveu armas nucleares pela primeira vez. O primeiro teste nuclear, a Experiência Trinity (julho de 1945) e a segunda bomba nuclear a ser usada contra humanos, na cidade de Nagasaki, em agosto de 1945, Fat Man, eram ambas bombas que tinham um núcleo de plutônio-239. Experimentos de radiação com humanos utilizando plutônio, foram conduzidos sem o consentimento informado, e vários acidentes de criticidade, alguns letais, ocorreram durante e depois da guerra. A disposição de resíduos de Pu de usinas nucleares e armas nucleares nucleares desmanteladas construídas durante a Guerra Fria são uma preocupação ambiental e a respeito da proliferação nuclear. Outras fontes de Pu no ambiente são o fallout nuclear de numerosos testes nucleares acima do solo ( agora banidos por tratado).

História

Descoberta

Glenn T. Seaborg e sua equipe foram os primeiros a sintetizar plutónio.

Enrico Fermi e uma equipe de cientistas da Universidade de Roma informou que eles haviam descoberto o elemento 94 em 1934. Fermi chamou o elemento de hesperium e mencionou o nome em sua palestra em 1938. A amostra foi na verdade uma mistura de bário , criptônio e outros elementos, mas isso não era conhecido na época, porque a fissão nuclear não tinha sido descoberta ainda.

Glenn T. Seaborg e sua equipe, em Berkeley, foram os primeiros a produzir plutónio. Plutónio (especificamente, plutónio-238) foi produzido pela primeira vez e isolado em 14 de dezembro de 1940, e quimicamente identificado em 23 de fevereiro de 1941 por Glenn T. Seaborg, Edwin McMillan, Joseph William Kennedy, e Arthur Wahl. era produzido pelo bombardeio de urânio por deuterio em um ciclotron de 150 cm na Universidade da Califórnia, Berkeley. No experimento de 1940, Neptúnio-238 foi criado diretamente pelo bombardeio, mas deteriorado por emissão beta , dois dias depois, o que indicou a formação do elemento 94.

Um trabalho documentando a descoberta foi preparado pela equipe e enviado à revista "Physical Review março 1941. O artigo foi retirado antes da publicação, após a descoberta de que um isótopo do novo elemento (plutônio-239) pode sofrer fissão nuclear em uma maneira que possa ser útil em uma bomba atômica. A publicação foi atrasada até um ano após o final da Segunda Guerra Mundial , devido a preocupações de segurança.

Edwin McMillan tinha nomeado recentemente o primeiro elemento transurânico depois do planeta Netuno , e sugeriu que o elemento 94, sendo o elemento seguinte na série, deveria ser nomeado para o que era, até então, considerado o próximo planeta, Plutão. Seaborg originalmente considerou o nome "plutium", mas depois pensou que não tinha som tão bom quanto "plutónio." Ele escolheu as letras "Pu" como uma piada, que passou sem aviso prévio para a tabela periódica. Outros nomes alternativos considerados por Seaborg e outros foram "ultimium" ou "extremium" devido à crença errônea de que tinham encontrado o último possível elemento na tabela periódica .

Primeiras pesquisas

A química de base de plutónio foi encontrada e assemelha-se a do urânio, após alguns meses de estudo inicial. As pesquisas iniciais foram mantidas em segredo no Laboratório Metalúrgico da Universidade de Chicago. Em 18 de agosto de 1942, uma quantidade deste elemento foi isolado e medida pela primeira vez. Cerca de 50 microgramas de plutónio-239 combinado e com produtos da fissão do urânio foi produzido e apenas cerca de 1 micrograma foi isolado. Esta amostra permitiu aos químicos que determinassem o peso do novo elemento químico.

Em 1942 os E.U.A havia acumulado 500 gramas de sais de plutónio, e formou três grupos de cientistas para analisar melhor o elemento:

• Um grupo de cientistas deveria fornecer plutónio puro por métodos químicos (Los Alamos: JW Kennedy, CS Soares, AC Wahl, CS Garner, IB Johns),
• Outro grupo, que estudou o comportamento de plutónio em soluções, incluindo um estudo de seus estados de oxidação, potenciais de ionização e da cinética de reação (Berkeley : WM Latimer, ED Eastman, RE Connik, JW Gofman, etc)
• E o grupo, que estudou a química dos complexos de íons de plutónio (Iowa: FH Spedding, WH Sullivan, FA Voigt, como Newton) e vários outros grupos de menor influência e importância.

Em novembro de 1943, trifluoreto de plutónio foi reduzido para criar a primeira amostra de plutónio metálico: alguns microgramas de plutónio metálico. Foi o primeiro elemento transurânico sintetizado artificialmente com uma amostra pura visível a olho nu. As propriedades nucleares de plutónio-239 também foram estudadas, os pesquisadores descobriram que quando ele é atingido por um nêutron se rompe (fissões) liberando mais nêutrons e energia. Esses nêutrons podem atingir outros átomos de plutónio-239 e assim por diante, e formar uma exponencial reação em cadeia. Isso pode resultar em uma explosão grande o suficiente para destruir uma cidade, se o isótopo estiver concentrado o suficiente para formar uma massa crítica.

Na URSS as primeiras experiências para criar Pu-239 ocorreram de 1934-1944, sob a liderança de intelectuais Igor Kurchatov e B. Khlopin. Em pouco tempo, a União Soviética realizou amplos estudos sobre as propriedades de plutónio. No início de 1945, o primeiro cíclotron da Europa foi construído em 1937 no Instituto Radium, a primeira amostra de plutónio foi obtida ao irradiar urânio no cíclotron. Na cidade de Ozersk em 1945 começou a construção do primeiro reator nuclear comercial para produzir plutónio, o primeiro objeto de Mayak , que foi executado 19 junho de 1948.

Produção durante o Projeto Manhattan

Locais de pesquisa do Projeto Manhattan.

O Projeto Manhattan começou com uma carta de Albert Einstein a Franklin Roosevelt, então presidente dos E.U.A. A carta dizia da preocupação de Einstein de que a Alemanha Nazista pudesse vir a desenvolver armas nucleares, logo o E.U.A, fez este projeto para a criação de armas nucleares, durante a II Guerra Mundial. O projeto de programa nuclear, dos quais formados no Projeto Manhattan, foi aprovado e estabelecido por decreto presidencial. . Sua atividade do Projeto Manhattan começou a 12 de agosto de 1942. Seus três objetivos principais são:

• Produção de plutónio no complexo Henfordskogo.
• Enriquecimento de urânio em Oak Ridge , Tennessee.
• A pesquisa no campo das armas nucleares e construindo uma bomba atômica em Los Alamos National Laboratory.

O primeiro reator de Pu que tornou possivel a obtenção foi o Chicago-1, ele foi comissionado em 2 de dezembro de 1942. Ele consistia de 6 toneladas de urânio metálico, 34 toneladas de óxido de urânio e 400 toneladas de "blocos negros" de grafite . A única coisa que poderia parar a reação nuclear em cadeia, foram as barras de cádmio, que capturavam bem nêutrons térmicos e, conseqüentemente, pode prevenir a possível ocorrência de reação em cadeia que pudesse causar a detonação da instalação. Devido à ausência de proteção contra as radiações e resfriamento, a sua capacidade normal era de apenas 200 Watts (muito pouco comparado a potência de reatores atuais), ele permitiu produzir bem mais plutónio que os ciclotons, e meses depois o reator X-10 (experimental) continuou o trabalho iniciado pelo Chicago-1 na produção de Pu para o projeto, porem se descobriu que a porcentagem de Pu-240 no plutónio produzido por esses reatores era grande, e este deveria ser separado do Pu-239 atraves de um enriquecimento para que não ocorresse a detonação acidental de armas nucleares. (Nota: os reatores eram de urânio, mas as capturas de nêutrons por átomos de U-238 acabava em átomos fisseis de Pu-239).

Trinity e Fat Man

A forma de detonação de armas nucleares de plutónio (por implosão) não tinha muita confiabilidade na detonação, por isso era necessário fazer um teste antes para ver se realmente funcionaria. Então foi criado um artefato pouco antes de uso destas armas em guerra. A Trinity detonou em 16 de Julho de 1945, gerando 20 quilotons.

Tendo certeza do sucesso destas armas, foi logo feito uma bomba para ser usada em guerra, o Fat Man, esta bomba tinha três alvos, o primário era Kokura, o secundário Nagasaki, Kokura estava encoberta por nuvens, e portanto era quase certo de que a bomba erraria o alvo. Então os B-29 Superfortress rumaram para Nagasaki, que apesar de também estar sob nuvens e ventos, dissipou-se logo, então foi ordenado que a cidade deveria ser atacada. A bomba foi lançada, mas se deslocou durante a queda, caindo em um vale ao lado e parte da explosão foi contida, mesmo assim a bomba dizimou a cidade.

Disponibilidade e produção

Quantidades pequenas, traços, de ao menos três isótopos de plutônio (Pu 238, 239 e 244) podem ser encontrados na natureza. Pequenas quantidades de Pu-239, em algumas partes por milhão, e seus produtos de decaimento são naturalmente encontrados em minérios concentrados de urânio. assim como no reator nuclear natural de fissão em Oklo, Gabão. A razão de Pu-239 para o urânio no depósito de urânio Cigar Lake Mine varia de ×10 para ×10. Mesmo pequenas quantidades de nuclídeos primordiais de Plutônio-244 ocorrem naturalmente devido a sua relativa meia-vida longa de cerca de 80  milhões de anos. Esses traços de ²³⁹Pu originam de três formas diferentes:em raras ocasiões, ²³⁸U sofre fissão espontânea, e no processo, o núcleo emite 2 ou 3 nêutrons livres com algumas energia cinética. Quando um desses n~eutrons atinge o núcleo de outro átomo de ²³⁸U, ele é absorvido pelo átomo, que torna-se ²³⁹U.Com uma relativa meia-vida curta,²³⁹U decai para netúnio-239 (²³⁹Np), e então em ²³⁹Np decai em ²³⁹Pu.

Devido a relativa longa meia-vida do plutônio-240, ele ocorre na cadeia de decaimento do plutônio-244, ele também deve estar presente, embora em 10 000 vezes mais raro. Finalmente, pequenas amostras de Pu-238 foram achadas em amostras de urânio natural, devido ao raro decaimento beta do U-238 em Pu-238.

Pequenos traços de plutônio são usualmente encontrados no corpo humano devido aos mais de 550 testes nucleares atmosféricos e aquáticos que foram feitos, e um número pequeno de acidentes nucleares com reatores civis. A maioria dos testes nucleares aquáticos e atmosféricos foram parados pelo Tratado de banimento parcial dos testes, em 1963, que foi ratificado pelos Estados Unidos da América, Reino Unido, União Soviética, e outras nações. Testes nucleares atmosféricos ocorreram depois de 1963 por nações que não assinaram o tratado, incluindo aquelas da República Popular da China (teste com bomba atômica sobre o Deserto de Gobi em 1964,teste com bomba de hidrogênio em 1967, e testes seguintes) e França (testes tão recentes como da década de 1990). Devido à fabricação deliberada para armas nucleares e reatores nucleares, plutônio-239 é o isótopo mais abundante do plutônio até agora. Também a hipotético a possibilidade de quantidades realmente muito pequenas de plutônio produzido pelo bombardeamento de minério de urânio por raios cósmicos.

Até 2002, 1 200 toneladas de plutônio tinham sido produzidas em reatores nucleares, e pelo reprocessamento nuclear. Durante a produção e teste de armas nucleares, uma certa quantidade de plutônio foi liberada no ambiente, uma estimativa de 12,7 toneladas somente para o programa nuclear dos E.U.A sozinho. Em adição, durante a produção do plutônio em reatores nucleares civis, o plutônio foi liberado por acidentes de design e escapou para a biosfera, e tem sido encontrado em camadas sedimentares e em espécies aquáticas.

De forma artificial, o plutônio-239 é produzido em reatores nucleares por sucessivos decaimentos beta pelo U-239 e Np-239 expressos por essa equação:

$\mathrm{^{238}_{\ 92}U\ +\ ^{1}_{0}n\ \longrightarrow \ ^{239}_{\ 92}U\ \xrightarrow[23.5 \ min]{\beta^-} \ ^{239}_{\ 93}Np\ \xrightarrow[2.3565 \ d]{\beta^-} \ ^{239}_{\ 94}Pu}$

O Pu-238 utilizado em geradores termoelétricos de radioisótopos, foi o primeiro a ser sintetizado, ele é criado quando o U-238 é bombardeado por um deuterio produzindo netunio(intermediário) e depois Pu-238.

$\mathrm{^{238}_{\ 92}U\ +\ ^{2}_{1}D\ \longrightarrow \ ^{238}_{\ 93}Np\ +\ 2\ ^{1}_{0}n \quad;\quad ^{238}_{\ 93}Np\ \xrightarrow[2.117 \ d]{\beta^-} \ ^{238}_{\ 94}Pu}$

Os demais isotopos são produzidos quando o Pu-239 captura um nêutron mas não sofre fissão nuclear

Características

Propriedades físicas

Plutônio, como a maioria dos metais, tem um brilho prateado ao início, sendo muito semelhante ao níquel, mas quando ele se oxida muito rápido, assumindo um revestimento cinza, embora amarelo e verde oliva já tenham sido também reportados. A temperatura ambiente o plutônio está em sua forma α (alfa). Essa, é a mais comum forma estrutural do elemento (alótropo), e é duro e quebradiço assim como o ferro fundido, a não ser que seja ligado a outros metais para torná-lo mais macio e dúctil. Diferente dos outros metais, ele não é um bom condutor de calor ou eletricidade. Ele tem um baixo ponto de fusão (640 °C) e um não usual alto ponto de ebulição(3,228 °C).

Decaimento alfa, que libera núcleos de hélio de alta energia cinética, é a mais comum forma de decaimento radioativo para o plutônio. Uma massa de 5 kg de ²³⁹Pu contem cerca de 12,5 X 10²⁴ átomos. Com uma meia vida de 24 100 anos, cerca de 11,5 X 10¹² de seus átomos decaem a cada segundo, emitindo um partícula alfa de 5.157 MeV de energia. Isso gera cerca de 9,68 watts de energia. Calor produzido pela desaceleração daquelas partículas alfas, tornando-o morno ao toque.

Resistividade é a medida do quão forte um material se opõe ao fluxo de corrente elétrica. A resistividade do plutônio a temperatura ambiente é muito grande para um metal, e torna-se ainda maior a temperaturas menores, o que é uma característica não usual nos metais. e tende a continuar a cair até 100 K, abaixo disso a resistividade rapidamente diminui para as amostras. A resistividade então começa a aumentar com o tempo perto de 20 , devido ao dano da radiação, que com o ritmo ditado pela composição isotrópica da composição da amostra.

Devido a auto-irradiação, uma amostra de Pu fatiga-se através ada sua estrutura cristalina, significando que o arranjo dos seus átomos torna-se desordenado pela radiação com o tempo . Auto-irradiação também pode levar ao recozimento que neutraliza os efeitos da fatiga, causados pela radiação, de acordo com o aumento da temperatura acima de 100 K.

Também diferente dos outros metais, o plutônio aumenta a sua densidade quando derretido, em cerca de 2,5% para ser mais preciso. Mas o metal líquido exibe uma diminuição linear da densidade com a temperatura.. Perto do ponto de fusão, o plutônio líquido tem também uma lata viscosidade e tensão superficial quando comprado a outros metais.

Alótropos

Plutônio tem seis alótropos à CNTP:alfa (α), beta (β), gama (γ), delta (δ), delta prime (δ'), & epsilon (ε)

Plutônio normalmente tem seis alótropos e forma uma sétima (zeta, ζ) a alta temperatura com uma faixa de pressão limitada. Esses alótropos, que são diferentes modificações estruturais ou formas de um elemento, tem energias internas muito similares, entretanto variando significativamente de densidade e estrutura de cristal. Isso faz do plutônio sensitivo a mudanças de temperatura, pressão, ou química, e permite mudanças de volume dramáticas durante a transição de uma fase alotrópica à outra. As densidades dos alótropos variam de 16.00 g/cm³ para 19.86 g/cm³.

A presença desses vários alótropos fazem da usinagem do plutônio muito difícil, uma vez que ele muda muito de um estado a outro. Por exemplo, a forma α existe em CNTP no plutõnio não ligado. Tendo características de usinagem semelhantes as do ferro fundido mas muda para a forma plástica e maleável β (beta) com uma pequena mudança de temperatura. As razões para o complicado diagrama de fase ainda não são inteiramente compreendidas. A forma α tem uma estrutura de cristal monoclínico de baixa simetria, por isso a sua fragilidade, força, compressibilidade e pobre condutividade térmica.

Plutônio na forma δ normalmente existe entre 310 °C à 452 °C mas é estável à temperatura ambiente quando ligado a pequenas porcentagens de gálio, alumínio, ou cério, melhorando o seu manuseio e permitindo-o a sua soldagem. A forma Delta tem uma característica mais metálica, e é rudemente mais forte e maleável que o alumínio. Em armas de fissão, as ondas de choque usadas para comprimir um núcleo de plutônio causarão também uma transição da fase Delta usual para a densa fase Alfa, significativamente ajudando-o a atingir a super criticidade. A fase ε , o alótropo sólido com a maior temperatura, exibe anormalmente uma alta auto-difusão atômica comparado com os outros metais.

Fissão nuclear

Um anel de plutônio com 99,96% de pureza eletrorefinado, suficiente para ser utilizado em um núcleo de arma nuclear. O anel pesa 5.3 kg, diâmetro de 11 cm e o seu formato ajuda com a segurança de criticidade.

Plutônio é um metal actinídeo radioativo cujo um dos isótopos, plutônio-239, é um dos três isótopos físseis primariamente utilizados. . Urânio-233 e Urânio-235 são os outros dois. Plutônio-241 é também altamente físsil. Para ser considerado físsil, um núcleo atômico de isótopo deve ser capaz de quebrar-se, ou seja, sofrer fissão nuclear quando bombardeado com um nêutron lento e liberar nêutrons adicionais suficientes para sustentar uma reação nuclear em cadeia para quebrar outros núcleos atômicos.

Plutônio-239 puro, pode ter um fator de multiplicação (k_eff) maior que um, o que significa que se o metal está presente em quantidades suficientes e com uma geometria apropriada (exemplo: uma esfera de tamanho suficiente), ele pode formar uma massa crítica. Durante a fissão, uma fração da energia de ligação, que segura o núcleo unido, é liberada como uma grande quantidade de energia eletromagnética e cinética (das quais, uma grande parte é posteriormente convertida em energia térmica). A fissão de um quilograma de plutônio-239 pode produzir uma explosão equivalente a 21 quilotons ( 21 000 toneladas de TNT). Essa é a energia que faz do Pu-239 utilizável em armas nucleares e reatores nucleares.

A presença do isótopo Plutônio 240 em uma amostra limita o seu potencial como arma nuclear, como o Pu-240 tem uma relativa alta taxa de fissão espontânea (~440 fissões por segundo por grama, mais de 1 000 nêutron por segundo por grama), aumentando o nível de nêutrons e portanto, aumentando o risco de pré-detonação ou fiasco. Plutônio classificado quando a sua potencialidade de usos em reatores ou armas nucleares, baseado na porcentagem de plutônio-240 que ela contem. Para ser utilizável em armas nucleares o Pu deve conter menos de 7% de Pu-240. grau combustível contem de 7% a 19% de Pu-240, e grau para uso em reator contém 19% ou mais de plutônio-240. Plutônio-239 supergrade com menos de 4% de Pu-240, é utilizado em armas nucleares da Marinha dos Estados Unidos da América, devido a proximidade com as tripulações de navios e submarinos, devido a sua radiatividade. O isótopo plutônio-238 não é físsil, entretanto é fissionável, o que significa que ele pode sofrer fissão nuclear quando bombardeado com nêutrons rápidos, no entanto os nêutron liberados pela sua fissão são lentos e não podem fazer outros átomos sofrerem fissão, assim sendo, ele é incapaz de sustentar uma reação em cadeia, um exemplo de outro isótopo com essa capacidade é um isóbaro do Pu-238, o urânio-238.

Química e componentes

Vários estados de oxidação do plutônio em amostras.

À temperatura ambiente, plutônio puro é prateado em cor, mas torna-se embaçado quando oxidado. O elemento demonstra quatro estados de oxidação comuns em solução aquosa e uma rara:

• Pu(III), como Pu³⁺ (azul lavanda)
• Pu(IV), como Pu⁴⁺ (amarelo ou castanho)
• Pu(V), como PuO+2 (rosa claro)
• Pu(VI), como PuO2+2 (rosa alaranjado)
• Pu(VII), como PuO3−5 (verde)- o íon heptavalente é raro.

A cor mostrada pelo plutônio em soluções depende doe stado de oxidação e da natureza do ânion ácido. É o ânion ácido que influencia no grau de complexação, como átomos se conectam ao átomo central da espécie do plutônio.

Plutônio metálico é produzido ao reagir tetrafluoreto de plutônio com bário, cálcio ou lítio à 1200 °C. Ele é atacado por ácidos, oxigênio, e vapores mas não por alcalinos e dissolve-se facilmente em ácido clorídrico concentrado, hiodeto de hidrogênio e ácido perclórico. O metal fundido deve ser mantido no vácuo ou numa atmosférica inerte, para evitar reações com o ar. À 135 °C o metal entrará em ignição com o ar e explodirá se colocado com tetracloreto de carbono.

A piroforicidade do plutônio pode faze-lo parecer uma brasa crescente sobre certas condições.

Vinte microgramas de hidróxido de plutônio puro.

Plutônio é um metal reativo. No ar úmido ou no argônio úmido, o metal oxida-se rapidamente, produzindo uma mistura de óxidos e hidretos. Se o metal é exposto o suficiente para uma quantidade limitada de vapor de água, uma poerenta superfície de PuO₂ é formada.ref name = "WISER"/> Também forma hidreto de plutônio mas um excesso de vapor de água apenas forma PuO₂.

Plutônio mostra enormes, e reversíveis, taxas de reação com hidrogênio puro, formando hidreto de plutônio. Ele também reage prontamente com oxigênio, formando PuO e PuO₂ também como óxidos intermediários. óxido de Pu preenche 40% mais volume que o plutônio metálico. O metal reage com os halogênios, dando lugar à componentes químicos com fórmula geral PuX₃ onde X pode ser F, Cl, Br ou I e PuF₄ também são vistos. Os seguintes componentes são observados: PuOCl, PuOBr e PuOI. Ele reagirá com carbono para formar PuC, nitrogênio para formar Pu N e silício para PuSi₂.

Pós de plutônio, seus hidretos e cetos óxidos como o Pu₂O₃ são pirofóricos, o que significa que eles podem espontaneamente entrar em ignição à temperatura ambiente e são portanto manuseadas em uma atmosfera inerte, seca e feita de nitrogênio ou argônio. Massas de plutônio somente entrar em ignição quando são aquecidas a mais de 400 °C. Pu₂O₃ espontaneamente aquece-se e transforma-se em PuO₂,, que é estável no ar seco, mas reage com vapor d´água quando aquecido.

Cadinhos usados para conter plutônio precisam ser capazes de resistir ao suas poderosas propriedades redutivas. Metais refratários como tântalo e tungstênio juntamente com óxidos mais estáveis, boretos, carbonetos, nitretos e silicietos podem tolera-lo. Derreter em um forno elétrico à arco, podem ser usados para produzir pequenos lingotes de metal sem a necessidade de um cadinho .

Cério é utilizado como um simulador químico do plutônio para o desenvolvimento da contenção, extração e outras tecnologias.

Estrutura eletrônica

Plutônio é um elemento no qual os seus elétrons 5f estão na fronteiro de transição entre localizados e deslocalizados. Portanto ele é considerado um dos elementos mais complexos. O comportamento anômalo do plutônio é causado por sua estrutura eletrônica. A diferença de energia entre os subníveis 6d e 5f é muito pequena. O tamanho da 5f é o suficiente para permitir a formação de ligações dentro da rede. A proximidade dos níveis de energia leva a multiplicação de configurações de elétrons de baixa energia com níveis de energia parecidos. Isso leva a competição pelas configurações 5fⁿ7s² ae 5fⁿ⁻¹6d¹7s², que causa a complexidade do seu comportamento químico. A natureza direcional das orbitais 5f é responsável pela direção das ligações covalentes em moléculas e complexos de plutônio.

Ligas

Plutônio pode formar ligas e intermediar componentes com a maioria dos outros metais. Exceções incluem Lítio, sódio, potássio, rubídio e césio dos metais alcalinos, e magnésio, cálcio, estrôncio e bário, dos metais alcalinos terrosos, e európio, e itérbio dos metais terras raras. Exceções parciais incluem os metais refratários crômio, molibdênio, nióbio, tântalo e tungstênio, que são solúveis em plutônio líquido, mas insolúveis ou apenas levemente solúvel em plutônio sólido. Gálio, alumínio, amerício, escândio, e cério podem estabilizar a fase delta do plutônio para a temperatura ambiente. Silício, índio, zinco e zircônio permitem a formação do estado metaestável δ (delta) quando rapidamente resfriado. Grandes quantidades de háfnio, hólmio e tálio também permitem reter a fase δ à temperatura ambiente. Netúnio é o único elemento que pode estabilizar a fase α a temperaturas maiores.

Plutônio permite ser produzidos ao adicionar um metal par. a fundir o plutônio. Se o metal permitido é suficientemente redutivo, plutônio pode ser adicionado na forma de óxidos ou haletos. A fase δ na forma das ligas plutônio-gálio e plutônio-alumínios ão produzidas ao adicionar plutônio(III) fluoreto para fundir o gálio ou alumínio, que tem a vantagem de evitar lidar-nos diretamente com o plutônio metálico altamente reativo.

• Plutônio-Gálio é usado para estabilizar a fase δ do plutônio, evitando negócios ligados as fases α e α-δ. Seu principal uso é em fossos de armas implosivas.

• Liga Plutônio-Alumínio é uma alternativa a liga Pu-Ga. Ela foi o elemento original considerado para a estabilização da fase delta, mas ela a sua tendência em reagir com as partículas alfa e liberar nêutrons reduz a sua usabilidade como fosso em armas nucleares. Plutônio-Alumínio também pode ser um componente do combustível nuclear.

• Liga Plutônio-Gálio-Cobalto (PuCoGa₅) é um supercondutor não convencional, mostrando supercondutividade abaixo de 18.5 kelvin, uma ordem de magnitude maior que a maior entre os sistema de férmion pesado, e tem uma grande corrente crítica

• Liga Plutônio-Zircônio pode ser usada como combustível nuclear.

• Liga Plutônio-cério e Plutônio-cério-cobalto são usadas como combustíveis nucleares..

• Plutônio-Urânio, como cerca de 15–30 mol.% de plutônio, ele pode ser usado como combustível nuclear para reatores de reprodução rápida. A sua natureza pirofórica e alta susceptibilidade à corrosão ao ponto de pegar fogo sozinha ou desintegrar-se após exposição ao ar requere a ligação com outros componentes. Adição de alumínio, carbono ou cobre não melhoram muito o índice de desintegração, zircônio e ferro quando adicionados têm melhor resistência à corrosão mas eles se desintegram no ar também. A adição de titânio e/ou zircônio, aumenta significativamente o ponto de fusão da liga..

• Liga plutônio-urânio-titânio e Plutônio-urânio-zircônio foram investigados para o uso como combustíveis nucleares. A adição do terceiro elemento aumenta a resistência a corrosão, reduz a inflamabilidade, e melhora a ductibilidade, fabricabilidade, resistência, e expansão térmica.

• Plutônio-urânio-molibdênio tem a melhor resistência à corrosão, formando uma película de óxidos protetiva, mas o titânio e zircônio são preferidos por razões físicas.

• Liga de tório-urânio-plutônio foi investigada como combustível nuclear para reatores de rápida reprodução.

Isótopos

Fat man, utilizada em Nagasaki contra os japoneses utilizava um núcleo de Pu-239.

Existem mais de 20 isótopos de plutônio sintetizados e catalogados até hoje, todos eles são radioativos(radioisótopos) com meia-vidas que variam muito, as maiores meia-vidas são do Pu-244, Pu-242 e Pu-239 respectivamente, com o resto apresentando meia-vida inferior a 7 000 anos. Os isótopos de plutônio variam em número de massa entre 228 e 247. Os modos de decaimento primários dos isótopos com número de massa inferior ao do isótopo mais estável, plutônio 244, são fissão espontânea e emissão alfa, formando principalmente isótopos de urânio (92 prótons) e netúnio (93 prótons) como produtos de decaimento (negligenciando a vasta gama de núcleos filhos criados pelo processo de fissão). Já para aqueles que possuem massa superior ao do Pu²⁴⁴ é emissão beta, formando principalmente isótopos de amerício (95 prótons) como produto. Plutônio-241 é o isótopo pai da série de decaimento do netúnio, decaindo para amerício-241 por emissão eta ou eletrônica.

Ciclo nuclear do urânio e do plutônio que possibilita a criação de isótopos mais pesados.

• Pu-238 é largamente usado em gerador termoelétrico de radioisótopos de sondas espaciais e submarinos nucleares sendo que esteve nos RTGs das sondas Voyager 1, Voyager 2, Cassini e New Horizons, por causa de sua baixa radioatividade e por emitir apenas partículas alfa que são as menos perigosas formas de radiação ao contrario do Pu-239 que além de físsil é emissor de outras formas de radiação.

• Pu-239 é usado como material físsil em armas nucleares produzindo 20 quilotons por quilo, essas armas tem que ter um taxa acima de 93% de Pu-239 e menos de 7% de Pu-240 pelo fato desse ter 450 000 fissões por segundo em um quilo, produzindo U-238, impróprio para essas armas.^{[carece de fontes]}

Em reatores nucleares, sonda espaciais e submarinos movidos a energia nuclear ele é utilizado. Foi importante no final da Segunda Guerra Mundial quando foi utilizado como o material fissil da bomba atômica estadunidense Fat Man, sendo que ainda é o elemento predileto para se fazer fossos para os primários de bombas de hidrogênio pela sua densidade e potência elevada.

Plutônio-239 Supergrade

W80 a principal ogiva que utiliza o Pu-239 Supergrade.

O Pu-239 supergrade é um composto de uma excepcional porcentagem de Pu-239(+95%) e pouco de Pu-240(-5%), este composto tem pouca radioatividade, e é utilizado na maioria das ogivas nucleares operadas pela Marinha dos Estados Unidos em comparação ao plutônio enriquecido utilizado pelas ogivas da Força Aérea dos Estados Unidos, a principal e mais difundida ogiva que usa o supergrade é a W80. Ele é produzido a partir de barras de plutónio em reatores que foram irradiadas fazendo o Pu-240 que é um contaminante do Pu-239, ficar em extremidades das barras tirando grande parte desse contaminante, porém sua produção é mais cara que a produção do Plutônio enriquecido normal.

• Pu-240 formado pela captura neutrônica de Pu-239, o Pu-239 sofre fissão em 62-73% das capturas o resto forma átomos de Pu-240. Pu-240 não é físsil, sua taxa de fissão é baixa e quase sempre forma Pu-241. Ele tem a peculiaridade de apresentar uma grande porcentagem de fissão espontânea, e por estar quase sempre junto ao Pu-239 é considerado um contaminante em armas nucleares, a taxa de Pu-240 em armas nucleares deve ser inferior a 7% para que a fissão espontânea dele não inicia uma fissão em cadeia que acabará com a detonação prematura da arma, a separação do Pu-240 do Pu-239 requer mais de 90 dias de reprocessamento contínuo.

• Pu-241 é produzido quando um átomo de Pu-240 absorve um nêutron, também pode ser usado em armas nucleares pois é físsil uma vez que em 73% de suas capturas neutrônicas acabam em fissões nucleares, nas outras 27% das capturas ele acaba formando um átomo de Pu-242. Porém devida a sua curta meia-vida de 14,4 anos(o que diminuiria em muito a vida operacional da arma) e sua maior dificuldade em ser produzido, nunca foi empregado em larga escala para armas nucleares. Decorrido os 14,4 anos ele se transforma num átomo de amerício-241 através de decaimento beta.

• Pu-242, produzido pela captura neutrônica de Pu-241 sem resultar em uma fissão(27% dos casos como visto anteriormente). Tem a segunda maior meia-vida dentre os isótopos de plutônio, com 373 300 anos, 15 vezes mais longa que o do Pu-239. . Não é físsil, mas como o Urânio-238 ele é fissionável por nêutrons rápidos(nêtrons com energia superior a 1 MeV, ou seja saem a mais de 14 000 km por hora), poderiam ser empregados em armas termonucleares para serem fissionados pelos nêutrons criados pela fusão nuclear de deutério e trítio que liberam nêutrons de 14,1 MeV(atingindo 52 000 km por hora, 17,3% da velocidade da luz.

• Pu-243, produzido pela captura neutrônica de Pu-242. Ele tem uma meia-vida de aproximadamente 4,9 horas. Por isso muitos átomos de Pu-243 não tem tempo suficiente para realizar uma captura neutrônica para criar Pu-244 acabando com a cadeia de sucessivas capturas neutrônicas gerando novos isotopos cada vez mais pesados de plutônio. Decorrido a meia-vida Pu-243 decai para Amerício-243 por decaimento beta.

• Pu-244 é isótopo de plutônio de maior meia-vida com 80 milhões de anos, curiosamente é seguinte a um isotopo de meia-vida muito pequena, Pu-243. Ele não é produzido em quantidades consideráveis pelo ciclo de combustível nuclear devido a pouca meia-vida do que seria o seu isotopo pai, o Pu-243. Mas ele aparece muitas vezes em vestígios de detonações nucleares, a onda de nêutrons criada por uma reação em cadeia pode induzir átomos de plutônio a sofrerem múltiplas capturas neutrônicas e também são encontrados em vestígios de supernovas criados pelo mesmo processo. Tem a quarta maior meia-vida entre actinídeos perdendo apenas para o tório-232, U-238 e U-235 respectivamente.

Calor gerado pelo decaimento de alguns isótopos de plutônio

Isótopo	modo de decaimento/produto	Meia-vida (em anos)	Calor Dissipado (W/kg)	Fissão espontânea nêutrons (1/(g·s))	Comentário
238Pu	alfa / 234U	87.74	560	2600	Grande quantidade de calor dissipado. Mesmo em pequenas quantidades pode causar significativo auto-aquecimento, muito utilizado em geradores termoelétricos.
239Pu	alfa / 235U	24 100	1.9	0.022	Principal isótopo físsil de plutônio em uso hoje.
240Pu	alfa / 236U(logo após sofre fissão espontânea)	6 560	6.8	910	Altas taxas de fissões espontâneas. Principal contaminante do 239Pu. Altas porcentagens de 240Pu em armas nucleares favorece detonações prematuras.
241Pu	beta negativa / 241Am	14.4	4.2	0.049	Físsil mas pouco utilizado. Seu rápido decaimento em 241Am deixa amostras velhas com quantidades grandes de amerício.
242Pu	alfa / 238U	376 000	0.1	1700

Precauções

O Demon Core (Núcleo Demoníaco) foi um fosso de plutónio que recebeu esse nome apos matar dois cientistas em acidentes de criticidade, ele foi utilizado no teste Able

Riscos à saúde

O plutónio é o elemento químico mais nocivo a saúde, por ser um grande emissor de radioatividade, se ingerido pouco mais 0,04% do material vai ser absorvido pela ingestão, mas essa quantidade vai se acumular nos ossos, e só passará a ser retirada do organismo após 200 anos.

Inflamabilidade

O Pu se oxida muito rápido e aumenta em 70% o seu volume durante esse processo, gerando uma rápida expansão e logo após combustão.

Criticidade

O plutónio é altamente crítico, e quando fica crítico começa a produzir nêutrons (podendo gerar uma reação em cadeia e detonar) e raios gama (que são altamente letais para seres humanos), um fosso de plutónio ficou famoso após matar cientistas em dois acidentes de criticidade, o Demon Core:

• Em 21 de agosto de 1945, o núcleo foi cercado por tijolos refletores de nêutrons para experiências, esses tijolos refletiram os nêutrons e deixaram o núcleo crítico, o cientista Harry Daghlian retirou rapidamente os tijolos impedindo uma reação em cadeia, porém ele recebeu uma dose fatal de radiação e morreu 25 dias apos o incidente.
• Em 21 de maio de 1946 o físico Louis Slotin e outros sete cientistas cercaram o núcleo novamente com tijolos, para uma experiencia visando saber até onde a massa poderia ser considerada subcrítica, quando Slotin foi fazer um teste chamado de fazer cócegas na cauda do dragão devido a sua periculosidade, que consistia em retirar o núcleo com uma chave de fenda, ele escorregou a chave de fenda fazendo o núcleo ficar supercrítico e liberar uma explosão de nêutrons e raios gama (que foram descritos como um flash azul por observadores) atingiu Slotin, que rapidamente fechou a duas metades dos refletores de nêutrons, salvando a vida dos outros cientistas, porém Slotin sofreu uma dose letal de radiação e morreu 9 dias depois do incidente.

Decaimento

O plutônio-239 decai, depois de 24 200 anos, em urânio-235 atraves de emissão alfa liberando 5,245 MeV.

$\mathrm{^{239}_{\ 94}Pu\ \xrightarrow [24 200\ anos] {\alpha\ 5,245\ MeV} \ ^{235}_{\ 92}U }$

O Pu-238 decai em U-234 depois de 87,7 anos, quando ele fica instavel e sofre uma emissão alfa para se estabilizar.

$\mathrm{^{238}_{\ 94}Pu\ \xrightarrow [87,74\ anos] {\alpha\ 5,593\ MeV} \ ^{234}_{\ 92}U }$

O Pu-240 decai atraves da emissão alfa depois de 6 563 anos, esse decaimento gera 5,255 MeV e um atomo de U-236 que logo apos sofre fissão.

$\mathrm{^{240}_{\ 94}Pu\ \xrightarrow [6 563\ anos] {\alpha\ 5,255\ MeV} \ ^{236}_{\ 92}U }$

A meia-vida do Pu-241 é de 14 anos, o modo de decaimento é o decaimento beta, e então um átomo de amerício-241 sera formado.

$\mathrm{^{241}_{\ 94}Pu\ \xrightarrow [6 563\ anos] {\beta\ ?\ MeV} \ ^{241}_{\ 95}Am }$

Ver também

• Urânio
• netunio
• Plutônio-239
• Plutônio-238

Referências

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• Chemistry in its element podcast (MP3) from the Royal Society of Chemistry's Chemistry World: Plutonium